农田施用生物炭的固碳减排效应及其影响因素综述

刘天 云菲 蒋伟峰 柳渊博 王驰 马宇 符云鹏

摘要：全球气候变暖，土壤肥力下降，农业生产面临的问题日益严峻，如何保障粮食安全已成为人类可持续发展的重要课题之一。生物炭因其碳含量高、稳定性强的特殊性质，已成为多学科领域研究的热点，将其应用于农业领域也表现出巨大的潜力，可在减少温室气体排放的同时培育土壤碳库、改善土壤理化性质及生物学特性，进而提高作物产质量，取得较高的生态环境效益。本文在前人大量研究的基础上总结了生物炭在农业生产上的应用，系统归纳分析了生物炭固碳减排的作用机理及影响因素，提出了适用于农田土壤固碳减排的生物炭制备原料、制备温度、施用量，在未来发展方向上，需要进一步优化炭化技术、加强生物质炭性质与土壤类型互作对固碳减排的研究。

关键词：生物炭;固碳减排;作物生产力;机制;农田

中图分类号：S181   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2021）18-0007-07

收稿日期：2021-05-21

基金项目：河南省自然科学基金青年科学基金（编号：212300410160）;中国烟草总公司河南省公司科技项目（编号：2020410000270020）;河南省烟草公司济源市公司项目（编号：2020410881240045）。

作者简介：刘 天，男，河南鹤壁人，硕士研究生，主要从事烟草栽培生理生化研究。E-mail：13213249209@163.com。

通信作者：云 菲，博士，讲师，主要从事烟草栽培生理生态研究，E-mail：yunfeifei55@126.com;符云鹏，博士，教授，主要从事烟草栽培生理生化研究，E-mail：ypfu@163.com。

温室气体排放是当前农业生产亟需解决的问题之一，联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）第5次评估会议报告上指出，2007—2016年的10年间，用于农林业的土地贡献了全球约13%的CO2、44%的CH4、82%的氮氧化物排放，约占全球温室气体排放的23%，若不加以控制，截至到21世纪末，全球地表平均气温将上升0.3～4.8 ℃[1]。持续升温导致的气候变化总体上将造成粮食减产及环境恶化。就我国而言，气温每上升1 ℃，平均作物产量将降低2.58%[2]。这对我国粮食安全提出了巨大挑战。土壤碳库是最活跃的碳库，碳储量高达27 000亿t，受人为因素影响最大，任何微小的变化都会对全球温室气体排放产生巨大的影响。因此，农业土壤固碳减排成为全球气候变化研究热点之一。近年来，由于生物炭特殊的结构和性质，用途广泛，已成为多学科领域研究的热点。生物炭指的是农林业废弃物等生物质在无氧或限氧条件下通过热化学转化得到的固态产物，可以单独或者作为添加剂混合使用，能够培育改良土壤、提高资源利用率、避免一定的环境污染，同时也是温室气体减排的一種有效手段。生物炭应用于农业以达到固碳减排，已成为人们的广泛共识。本试验在前人大量研究的基础上，归纳总结了生物炭在农田固碳减排上的应用，系统分析了生物炭的作用机理及影响因素，以期为生物炭的推广应用奠定理论依据。

1 生物炭的固碳减排潜力

引起温室效应的温室气体主要是CO2、CH4、N2O，其对温室效应的贡献率高达80%[3]。农业源土壤温室气体排放量占全球人为活动温室气体排放量的12%，贡献了约39%的CH4、78%的N2O[1]。王绍强等基于全国第2次土壤普查数据，估算中国平均土壤有机碳储量约为92.418 Pg，低于世界平均水平[4]。有数据显示，广东省与湖北省的表层土壤有机碳含量分别为0.41、0.385 Pg[5-6]。提高土壤有机碳固存，既可降低CO2排放量，缓解温室效应，亦可培育土壤提高土壤肥力，促进作物生长，提高作物产质量。

生物炭（biochar）通常指由木材、农作物废弃物、植物落叶等废弃物在缺氧或有限氧气供应、温度低于700 ℃条件下热解形成的产物，常见的生物炭包括秸秆炭、木炭、玉米芯炭、竹炭等。用于制备生物炭的原料为农林业废弃物等生物质，我国秸秆生物质资源丰富，据不完全统计，我国可利用的秸秆资源产量约为9 亿t/年[7]。用于制备生物炭的原料通常为水稻、小麦、玉米秸秆，其产量约为2.3 亿、1.7 亿、3.9 亿t/年[8]。据估算，因燃烧导致的碳排放约为4.77×107 t/年[9]。生物炭由于其碳架结构稳定，难以分解的特性，可应用于农田土壤中直接形成碳汇。生物炭施入土壤表现出负向激发效应，进而降低土壤CO2排放，并可通过多种机制显著降低土壤N2O排放。生物炭已经成为以返还农田提升耕地质量、实现碳封存为主要应用方向的富碳固体产物。

2 生物炭的固碳减排效果

农田应用生物炭已被广泛接受为增强土壤碳汇的碳固存手段，且其针对气候变化也表现出积极影响（图1）。Soinne等通过田间试验研究了生物炭对黏土碳储存的短期影响，结果显示，0～45 cm土层中碳含量显著增加[10]。Mehmood等在稻玉轮作系统中，添加3 000 kg/（hm2·年）生物炭（以C计），结果显示添加生物炭处理显著提高有机碳（SOC）含量[11]。这可能是因为稳定性较强的生物炭限制了C的矿化作用且生物炭可以增加小团聚体中芳香族碳化合物的比例，使其对分解更为稳定。Wang等认为，生物炭引起的微生物群落结构变化可能会降低碳水化合物（葡萄糖、纤维二糖和D-木糖）的微生物利用，从而抑制植物生长阶段的土壤SOC矿化[12]。Ge等在亚热带毛竹林中开展生物炭添加试验，施用5 t/hm2生物炭显著降低了土壤呼吸速率，CO2排放量平均降低19.9%[13]。Qi等使用Arrhenius方程评估了生物炭对温室气体排放的影响，认为土壤CH4和CO2排放受土壤温度、SOC、可溶性有机碳（DOC）和微生物量碳（MBC）的影响，水稻生长季添加生物炭处理与常规施肥相比，通过降低其活化能（Ea）减少CO2和N2O排放;生菜生长季显著减少55.2%～72.9%的N2O累计排放量[14]。Wang等认为，生物炭添加分别显著降低酸性茶土CO2和N2O排放量7.2%～9.3%和36.3%～44.2%[15]。Wu等在稻麦轮作系统开展为期6年的田间试验，生物炭导致CH4和N2O排放量分别显著减少11.2%～17.5%和19.5%～26.3%，并进一步进行荟萃分析，分析显示，在各种复杂土壤环境下，田间生物炭改良剂可分别显著降低CH4和N2O排放量9.3%和18.7%[16]。

由于生物炭的种类、制备材料与条件以及农田土壤类型不同，也有研究表明，生物炭对温室气体排放无影响或促进其排放。生物炭施入农田土壤在一定情况下促进土壤碳矿化，这可能是因为：低温条件制备的生物炭可提高土壤中易氧化有机质含量，且生物炭促进土壤有机质转化为可溶性有机碳[17]。陈静等研究发现，施加4、8 t/hm2生物炭较常规施肥CH4年排放量分别增加76.38%和7323%[18]。生物炭含有的可溶性有机碳为产甲烷菌提供了反应底物;微生物消耗土壤氧，氧化还原电位降低，为产甲烷菌活动创造了适宜的环境条件，进而增强了产甲烷菌群活性。国内外学者就生物炭施用对农田土壤N2O排放的影响存在争议，有学者认为生物炭并不影响N2O排放或促进排放[19-20]。生物炭原料来源对N2O排放有一定影响，粪便制备的生物炭会增加N2O排放量[21]。Ji等认为，土壤N2O排放对生物炭改良的不同反应可能取决于土壤微生物功能基因的丰度和非生物特性，添加生物炭土壤中驱动硝化作用的AOB基因丰度增加，硝化速率受刺激使得添加生物炭的水稻土壤N2O排放增加[22]。

3 生物炭的固碳减排机制

土壤碳含量对粮食安全、生态系统功能和环境健康非常重要。农田施用生物炭可以很好地起到固碳减排的作用[23-24]。一方面表示生物炭稳定固持在土壤中形成碳汇，影响土壤碳氮转化过程，且对作物生长起到一定促进作用;另一方面降低温室气体排放，其作用机制主要有以下几点。

3.1 生物炭特性及对土壤碳矿化的影响

将秸秆等废弃生物质制成生物炭，可减少因燃烧、废弃等措施导致碳的损失及温室气体的排放。生物炭中的碳元素含量极高，一般大于60%，且其主要以高度稳定的芳香环不规则叠层堆积存在。由于生物炭含有大量碳，且其本身的性质如低可溶性、高熔沸点、强稳定性，生物炭施用于农田后抗物理、化学及生物分解能力强，可在自然环境中稳定存在数千年[25]，表现出固碳减排。其丰富的孔隙结构与较大的比表面积可以改善土壤持水性，降低土壤容重。施加生物炭可有效促进土壤团聚体的生成并增强其稳定性，有利于农田土壤碳固持。农田耕地土壤中有机碳的固存受植株残体输入与土壤微生物碳矿化之间的平衡控制。有学者认为[26]，由于其吸附和生化行为，向土壤中添加生物炭可抑制土壤有机碳的矿化。添加生物炭不仅增加了土壤中有机碳含量，且可通过激发效应影响原土有机碳的矿化。Kan等在冬小麦—夏玉米轮作体系中添加生物炭，研究发现，添加生物炭可将年平均SOC封存率提高31.8%～47.8%，中低添加量[1.8～3.6 Mg/（hm2·年）]的生物炭最有利于华北平原土壤固碳[27]。

3.2 生物炭促进作物生长

生物炭本身的结构特征与理化性质使其施入土壤后对土壤理化性质和生物学特性产生一定影响，起到土壤改良的作用[28-29]，进而提高土壤碳利用效率，将土壤中的碳固定在作物中，提高作物产量。也有研究表明，施用生物炭可提高植物光合速率，促进光合碳同化，将大气中CO2更多地固定在作物中[30]。生物炭应用于农田对多种农作物表现出提质增产的效应[30-35]（表1）。生物炭对作物生长的促进机制包括：（1）提高作物光合特性，为促进作物生长发育奠定良好基础。Abideen等研究发现，0.75%的生物炭添加量可显著提高干旱环境生长的芦苇叶绿素含量与净光合速率，植物具有较高的光系统Ⅱ效率且抗氧化防御系统的活力得到激活，进而使其氧化应激水平降低[36]。（2）增加根长、根表面积、根体积，提高根系活力以及可溶性糖含量。通过改善根系形态，提高根系活力促进作物生长发育[34]。（3）生物炭对植物必需营养元素（N、P、K、Ca、Mg）的直接供应[37]，可以提高作物根茎叶及籽粒氮磷钾含量。（4）可以提高水分利用率，尤其是在干旱和半干旱地区，Huang等将生物炭应用于盐水灌溉条件下的小麦生产，生物炭可以通过维持较高的叶片含水量和较低的Na+/Ka+的值缓解盐胁迫，进一步增强光合作用，有利于籽粒形成、提高产量[30]。（5）生物炭可以提高植物对多种真菌和细菌等病原菌引起的植物病害的抵抗能力[38]，降低幼虫存活率、孵化率及繁殖力，进而减轻虫害[39]。（6）提高土壤中重金屬等毒性元素的稳定性，降低其生物可用性，减轻重金属毒害[40];减少作物中重金属含量，一方面通过吸附、沉淀络合、共沉淀和离子交换多种机制固定土壤中重金属，另一方面对作物具有一定增产效果，提高籽粒产量[34]，进而对作物体内重金属起到一定稀释作用。

3.3 生物炭控制温室气体排放

农田添加生物炭可控制温室气体排放（表2），主要表现在：（1）由于“负碳效应”[41]，生物炭固存可大量减少向环境中释放的碳。（2）施用生物炭减少农田CH4排放。这可能因为生物炭制备过程中在一定的温度范围内其比表面积随热解温度升高而增大[42]，孔隙缩小，开孔增多，抑制产甲烷菌活性[43];生物炭一般呈碱性，升高土壤pH值，引起土壤性质改变降低CH4排放;生物炭中存在氧自由基及有毒物质，可能会导致CH4排放降低。（3）降低N2O排放量。生物炭中的碳元素含量极高，一般≥60%[44]。施用生物炭减少化肥尤其是氮肥的施用，因而降低N2O排放;pH值变化影响反硝化过程中N2O向N2的转化[45];改变土壤微生物的丰度，尤其是提高了参与反硝化作用微生物的生长与活性;对NH+4、NO-3的吸附性增强。

4 影响生物炭固碳减排的主要因素

施加生物炭在固碳减排表现出巨大的潜力，添加生物炭的效果受生物炭的制备材料及温度、施用量、施用方式、施用年限、土壤因素等的影响。

4.1 生物炭的制备材料及温度对固碳减排的影响

不同原料制备的生物炭固碳减排效益大体表现为木质生物炭>秸秆生物炭>污泥、粪便生物炭，其原因主要包括：（1）木质生物炭芳香族碳含量高，稳定性强，灰分含量低。秸秆生物炭灰分含量多在20%～35%，少量低于15%，木质炭灰分含量在1%～10%范围内分布较多[46]，污泥生物炭灰分含量高达80%以上。（2）木质炭孔隙更为发达，含微孔数更多，对C、N吸附性更强。（3）木质生物炭C/P较低。在秸秆类生物炭中，玉米秆生物炭固碳减排效益优于麦秸秆。相同温度下制备的玉米秆生物炭较麦秆生物炭含碳量高，芳香化程度高，热稳定性更好[47]。高温制备生物炭由于其芳香化程度高，C稳定性强[46]，且孔隙更小，开孔较多，微孔结构更多[48]，固碳减排效益优于低温制备生物炭。Mao等研究了27种不同原料生物炭表面结构和化学成分，并就热解温度对它们的影响进行了分析，结果发现，热解温度对生物炭表面羧基、比表面积、孔隙体积影响最大，决定生物炭疏水特征的主导因素是热解温度[49]。另外，随着温度升高，生物炭表面酸性官能团减少，碱性官能团增多，生物炭pH值升高[50]。其对酸性土壤碳库可以起到明显增加作用，固碳减排效果更好。

4.2 生物炭施用量及施用方式对固碳减排的影响

一定范围内增加生物炭施用量，对土壤肥力提高作用更明显，温室气体排放减少[51-52]。郭艳亮等将3种施用量（1%、3%、5%）生物炭施入土壤，发现土壤CO2排放量随生物炭施用量增大呈增加趋势，CH4排放量随生物炭施用量增加而降低，N2O排放量无明显规律性[52]。李亚森等连续5年将生物炭施入土壤，认为低量生物炭对土壤呼吸无影响，适量生物炭的施用具有固碳减排效益，大量生物炭施用则会适得其反，建议生物炭施用范围应控制在15 t/hm2以内[53]。

生物炭不同应用方式也会对固碳减排效果产生影响。李娇等按照“等碳量”原则还入秸秆或生物炭，发现秸秆与生物炭配施较单施生物炭可提高农田生态系统净初级生产力，但生物炭还田碳汇能力较秸秆与生物炭配施相比更强[54]。Puga等将生物炭与氮肥配施应用于热带土壤玉米的生产，BN51/10（生物炭51%，氮肥10%）、BN40/17（生物炭40%，氮肥17%）2个处理的平均玉米产量较单施尿素高26%，BN51/10较单施尿素提高了12%的氮素利用效率，降低了14%的温室气体排放强度[55]。Li等认为，在旱作条件下，高施氮量土壤中添加生物炭会严重干扰土壤微生物生态系统，降低土壤固碳潜力，20 t/hm2生物炭与120 kg/hm2化肥配施可显著提高土壤固碳能力，提高土壤肥力[56]。生物炭与化肥或有机肥混合施用時，其全球增温趋势（GWP）和温室气体强度（GHGI）较未施用生物炭均显著降低[57]。Maek等研究发现，生物炭生产过程中添加钾元素可提高生物炭固碳潜力，全球生物炭固碳潜力预计可超过2.6 Gt CO2-C（eq）/年，且钾的加入增加了植物的营养成分，更适合农业应用[58]。

4.3 生物炭施用年限对固碳减排的影响

生物炭施入土壤年限同样影响其固碳减排效益，Singh等研究发现，生物炭在前2.3年里显著促进黏土本土有机碳矿化，SOC含量减少了4～44 mg/g。但在之后至第5年的时间中，正激发效应逐渐减弱[59]。这可能是由于初始正激发效应导致不稳定SOC的耗竭以及生物炭诱导的有机矿物对有机碳的稳定作用。生物炭施入土壤后，随着时间延长，其对土壤本土有机碳的矿化将由促进转为抑制，可能是由于生物炭提高了本土有机碳的稳定性[60]。

4.4 土壤因素对固碳减排的影响

土壤pH值、有机碳含量、温湿度影响生物炭应用效果。生物炭施用于酸性土壤，其固碳潜力低于中性和碱性土壤，施用生物炭后，酸性土壤比中性、碱性土壤释放更多的CO2，土壤有机碳和生物炭的降解均有加速的趋势[61]。Wu等认为，土壤有机碳含量影响生物炭的稳定性，随着土壤总有机碳含量的增大，稻草生物炭累计矿化速率增大，生物炭稳定C含量减少。土壤温度影响植物生长与生理活动进而影响根系呼吸作用CO2排放，一定范围内温度提高，增强微生物活动，加速土壤有机质分解，CO2排放量随之增加[62-63]。Case等研究发现，添加2%生物炭，土壤温度由4 ℃增加到16 ℃，CO2累计排放量增加4倍以上。土壤含水量对温室气体排放有较大影响，其受外部环境如降雨、温度影响较大[64]。

5 总结与展望

综上，生物炭应用于农田以达到固碳减排可取得较好的环境及经济效益。但其作用程度受多种因素如生物炭的制备材料及温度、施用量、施用方式、施用年限、土壤因素等综合影响。高温制备木质生物炭固碳减排效益优于禽畜粪便制备而成的生物炭，同一生物炭应用于不同土壤效果也不尽相同。针对不同的土壤质地及种植作物应因地制宜，选择合适的生物炭、施用量及施用方式，才能充分发挥生物炭的效用。综合来看，在300～700  ℃制备的秸秆生物炭，用量不超过20 t/hm2为宜。今后，可在以下几个方面进一步开展生物炭在农田固碳减排的应用研究：（1）由于生物炭的稳定性，其施入农田后存在后续效应，缺乏长期定位试验以明确生物炭应用于农田的地球化学行为和长期影响效应。（2）缺乏针对不同区域和不同类型土壤所适用生物炭类型与施用量，应建立一个明确完善的体系。（3）生物炭对土壤微生物、土壤酶等土壤生物学特性的影响机制，且如何进一步作用于固碳减排。（4）改性生物炭、生物炭基肥料的相关应用研究，针对不同质地土壤及不同种植作物开展适用性生物炭研究。

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